8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA
Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007
CORROSÃO INTERNA DE TUBOS DE TROCADOR DE CALOR - ESTUDO DE CASO
Eng. Antonio Carlos Ribeiro
Petroquímica União S.A. Núcleo de Engenharia
[email protected]
Eng. Mec. L. C. Dalprat-Franco (M.Sc.)
Departamento de Energia Térmica e Fluidos, Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de
Campinas (UNICAMP)
[email protected]
RESUMO
A corrosão do lado dos tubos é uma causa freqüente da indisponibilidade de trocadores de calor em refinarias e
plantas petroquímicas. Este trabalho descreve uma ocorrência particularmente severa do que foi diagnosticado como
corrosão induzida por microorganismos (MIC) em um condensador de aço carbono que levou a falha freqüente e
prematura dos tubos pela perfuração dos mesmos. As figuras do texto ilustram os danos e as possíveis soluções são
discutidas na conclusão.
PALAVRAS-CHAVE : Corrosão, Água de Refrigeração, Trocador de Calor, Bio-corrosão, Aço Duplex.
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INTRODUÇÃO
O trocador em questão é um condensador do ciclo de refrigeração com propileno da unidade de olefinas de uma
planta petroquímica.
A carga térmica é servida por seis cascos idênticos em fluxo paralelo (Fig.1).
Fig. 1: Vista da Bateria de Condensadores. O primeiro à direita está em manutenção
O problema discutido, afeta indiscriminadamente todos os cascos desse serviço bem como outros trocadores da
planta.
Entretanto, o problema se intensificou nos últimos anos à medida que o total de sólidos em suspensão (TSS) e de
microorganismos na água de refrigeração aumentaram significativamente.
Essa deverá ser a tendência geral, à medida que as fontes de água tornam-se cada vez mais poluídas e a escassez
de água obriga um reuso cada vez mais intenso.
DESCRIÇÃO DO EQUIPAMENTO
O condensador é do tipo espelho-fixo; CEN na nomenclatura da norma TEMA [1]. É construído inteiramente em
aço carbono: casco e tubos.
As dimensões aproximadas são: 1,6 m de diâmetro e um comprimento total de 14,0 m. São usados 3300 tubos
divididos em dois passes. Os tubos tem diâmetro nominal de ¾“(19,0 mm) em disposição triangular com passo de
1”(25,4 mm).
Os tubos são de superfície estendida (low-fin) com aletas de 1,6 mm de altura dispostas numa densidade de 750
por metro (19 por polegada).
A carga térmica total é de 45 Gcal/h e a variação de temperatura é de 82 oC a 40 oC do lado do casco
(condensação) e de 29 oC a 39 oC do lado dos tubos (água de refrigeração). A velocidade da água no interior dos
tubos é 1,1 m/s.
DESCRIÇÃO DO PROBLEMA
A intensidade da incrustação interna aos tubos requer que os mesmos sejam limpos por hidro-jateamento a
intervalos de 6 meses aproximadamente.
O processo corrosivo avança a uma velocidade tal que em aproximadamente após 18 meses da re-tubagem,
aparece o primeiro vazamento.
Em media, a cada 36 meses, um trocador é retirado de serviço para re-tubagem porque mais do que 10% dos tubos
de um passe já estão tamponados por terem apresentado vazamento e o desempenho degradou-se
correspondentemente.
A incrustação é em forma de tubérculos fortemente aderidos à superfície interna dos tubos.
Fig. 2 :Trecho Perfurado do Tubo
Fig. 3 :O Mesmo Trecho Após Limpeza
As figuras 2 e 3 mostram um pedaço de tubo secionado na região onde houve vazamento. (nota: as fotografias
mostram um tubo liso de um trocador em serviço similar ao do condensador em estudo).
A natureza tubercular da incrustação e a perfuração bastante profunda (pite) e localizada dentro de uma zona
menos corroída de formato oval corroboram o diagnostico de que se trata efetivamente de corrosão induzida por
micro-organismos (MIC) [2].
CORROSÃO INDUZIDA POR MICRO-ORGANISMOS (MIC)
A morfologia de um tubérculo está mostrada na figura 4 [3]
Fig. 4 : Morfologia do Tubérculo
Há uma crosta externa formada por hematita, carbonatos e silicatos. À ela segue-se uma casca dura e quebradiça
de magnetita no interior da qual se acumulam hidróxido ferroso, carbonatos e fosfatos.
A cavidade formada abaixo dessas camadas é preenchida de água com íons de ferro, cromo e sulfato em solução
que servem de nutriente para colônias de bactérias que ai se desenvolvem.
À medida que o tubérculo cresce em espessura ele perde a permeabilidade e uma vez esgotado o estoque de
oxigênio no seu interior, ele passa a hospedar bactérias anaeróbicas.
Os metabolitos da colônia anaeróbica mais o fato de que o interior do tubérculo se torna anódico em relação ao
resto do tubo que permanece aerado pelo oxigênio dissolvido na água em circulação, leva ao tipo de corrosão
característico, mostrado na Fig. 3.
SOLUÇÕES POSSÍVEIS
Parece claro que um tratamento da água adequado para a remoção de sólidos em suspensão e controle da biota
deve ser a primeira medida a ser implementada.
Um sistema de filtragem da água da bacia da torre de refrigeração (side-stream filter) é cada vez mais empregado
com a finalidade de reduzir o TSS da água de refrigeração [4].
O controle da micro biota, entretanto, não é simples porque a identificação do organismo causador é extremamente
dificultada pela complexa variabilidade deles e pelas alterações constantes das condições físicas e químicas do seu
habitat (5, 6).
Alem disso, acredita-se que à medida que a escassez de água aumente e conseqüentemente a sua qualidade se
deteriore, esse problema, alem de outros ainda não identificados só tendem a intensificar-se recomendando uma
solução através da alteração do material dos tubos.
É sabido que o aço inoxidável é praticamente imune à MIC uma vez que ele não fornece íons Fe+ necessários para
as reações de corrosão envolvidas [7].
Uma família de aços inoxidáveis foi desenvolvida especificamente para uso em refinarias de petróleo e ambientes
semelhantes: os aços inoxidáveis duplex (DSS) [8].
Um tubo liso de DSS foi instalado em um dos trocadores. Após mais de um ano de operação não houve corrosão
perceptível, mesmo na interface bi-metálica onde o tubo é expandido no espelho de aço carbono.
O desempenho de um tubo de DSS aletado com a mesma geometria do tubo original seria prejudicado pela menor
condutividade térmica. Isto está discutido no próximo parágrafo
ALTERAÇÃO DO MATERIAL DOS TUBOS
O impacto da menor condutividade do DSS no desempenho do condensador pode ser avaliado pela eficiência de
aletamento (Φ) [9]:
φ=
1
3
m
1+
3
Onde:
m=H
(1)
d0
dr
2
⎛ 1
⎞
⎜⎜ + R fo ⎟⎟k w Y
⎝ h0
⎠
do = diâmetro externo do tubo
dr = diâmetro na base das aletas
H = altura das aletas
ho = coeficiente de transmissão de calor externo
Rfo = resistência térmica da incrustação externa
kw = condutividade térmica do material da aleta
Y = espessura da aleta
(2)
As dimensões aproximadas da superfície estendida dos tubos são mostradas na figura 5:
Figura 5: Seção transversal do tubo. Dimensões em milímetros
Os seguintes valores foram usados para as variáveis não geométricas:
ho= 2000
Rfo = 0,0001
kw = 45 (CS)
kw = 13 (DSS)
[kCal / (h.m2.oC)]
[h m2 oC / kCal]
[kCal / (h.m.oC)]
Com esses parâmetros calculam-se os seguintes valores para a eficiência de aletamento:
Φ(CS) = 0.94
Φ(DSS) = 0,70
O emprego de eficiência de aletamento inferior à 0,65 não é considerada boa prática de engenharia [10],
assim a mera substituição do material seria uma solução marginal, embora a redução no coeficiente global
resultante da alteração do material pudesse ainda ser absorvida pelo excesso de área de troca previsto no projeto
e pela aceitação de um menor tempo de campanha.
AÇOS INOXIDÁVEIS TIPO DUPLEX (DSS)
A norma API-938C [8] trata especificamente do uso dos aços DSS em ambientes de refinarias de petróleo e
petroquímicas. A Fig. 6 foi extraída dessa norma. A abcissa (PREN = Pit Resistance Number) é um parâmetro [11]
derivado da composição química do aço, que se correlaciona bem com a resistência à corrosão por pite do mesmo.
A Fig. 6 indica também que a maior resistência à corrosão é acompanhada de maior resistência mecânica e
dureza. Essa maior dureza limita a altura da aleta que se pode obter no tubo por trabalho mecânico e
conseqüentemente sua eficiência de aletamento. Entre as ligas da Fig.6 escolheu-se a liga S1803 por representar um
compromisso entre os dois parâmetros.
Figura 6 : Resistência à Corrosão por Pite dos DSS [8]
Para essa liga, a prática industrial é obter-se um tubo com uma densidade maior de aletas (da ordem de 1000 por
metro) de menor altura (0.9 mm) de maneira que a maior área de troca compensa a menor condutividade e o
desempenho seja equivalente ao do tubo original de aço carbono.
A Fig. 7 indica as dimensões do tubo de DSS.
Figura 7 : Geometria do Tubo de DSS
Para comprovar a resistência à corrosão da liga de DSS escolhida, foram realizados testes de polarização em
amostras da própria água de refrigeração da planta [12] à temperatura ambiente e aquecida a 65o C; retiradas da bacia
da torre de refrigeração e da água de reposição.
A Fig. 8, extraída do relatório dos testes, evidencia que não há passagem relevante de corrente (se correlaciona
com a remoção de material) mesmo para tensões superiores a 500 mV (se correlaciona com a agressividade do meio
interno ao tubérculo).
Sem corrosão localizada
1000
Potencial (mV) ECS
800
600
400
200
Make-Up Tambiente
Make-Up T65°C
Bacia Tambiente
Bacia T65°C
0
-200
0,0
2,0x10
-5
-5
4,0x10
-5
6,0x10
-5
8,0x10
-4
1,0x10
2
Densidade de Corrente (A/cm )
Figura 8 : Curvas de Polarização do Aço Duplex
Para efeito de comparação, a Fig.9 mostra o desempenho do aço inoxidável tipo 304 no mesmo teste.
Figura 9 : Curva de polarização para o Aço Inoxidável tipo 304
CONCLUSÕES
Os aços inoxidáveis tipo Duplex podem substituir o aço carbono no serviço estudado desde que a geometria dos
tubos seja adaptada às particularidades do material.
Os tubos aletados de DSS são também substancialmente mais caros que os de aço carbono porque alem do custo
superior do material base, devido à sua maior resistência mecânica requerem tecnologia e máquinas especiais. São
poucos os fornecedores desse tipo de tubo a nível mundial.
Com a tendência ao aparecimento cada vez mais freqüentes de problemas do tipo aqui estudado causada pela
progressiva deterioração da qualidade da água de refrigeração, talvez o maior custo do material de construção dos
trocadores seja inevitável.
Por outro lado, o progressivo aumento da utilização dos DSS pode reduzir-lhes o preço por efeito da economia de
escala.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao pessoal da gerência, operação, manutenção e inspeção da PQU-Petroquímica União S.A.
pelo suporte e contribuição recebidos na preparação desse trabalho.
REFERÊNCIAS
1) TEMA, 1999, “Standards of the Tubular Exchangers Manufactures Association”, N.Y., USA
2) Herro, H. et Port, R.D., 1993, “The Nalco Guide to Cooling Water System Failure Analysis”, McGraw-Hill
Inc., N.Y., USA
3) Herro, H, 1991, “Tubercle Formation and Growth in Ferrous Alloys”, NACE Corrosion Congress, Paper No
84.
4) Colby, K. et Hoffmann, C., 2005, “Today’s Techniques for Heat Exchanger Protection Via Particle
Filtration”, Proceedings of the 6th International Conference on Heat Exchanger Fouling and Cleaning,
Kloster Irsee, Alemanha.
5) Shreier,L. et al., 2000, “Corrosion”, Butterworth-Heinemann, Wobun, N.Y., USA
6) Kilbane, J.J. et al., 2005, “Quantifying the Contribution of Various Bacterial Groups to microbiologically
influenced Corrosion” , NACE 2005 Congress, Paper No 05491.
7) Videla, H. A , 2003, “Biocorrosão, Biofouling e Biodeterioração de Materiais”, Ed. Edgard Blücher, São
Paulo, SP.
8) API, 2005, “TR-938C – Use of Duplex Stainless Steels in the Oil Refining Industry” .
9) Beatty, H.O. et Katz, D. L., 1948, Chemical Engineering Progress, 44, No 1, p. 55-70.
10) Bell, K.J. et Mueller, A.C., 2001, “Wolverine Engineering Data Book” , Wolverine Tube Co.
11) Shargay, C., 2005, “ Application of Duplex Stainless Steels in Refining – Overview of API 938C”, NACE
2005 Congress, Paper No 05571.
12) Gomes, J.A C.P. e Bueno, A H.S., 2006, “Relatório sobre a Corrosividade de Águabde Refrigeração”,
COPPE/UFRJ. (dicumentação interna da PQU)